滌綸針織物染料墨滴擴(kuò)散規(guī)律及呈色探討

黃 葉 李羽佳 張 鑫 王桂芝 蔡海娟 張瑞云, 3

1.東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國) 2.魯泰紡織股份有限公司(中國) 3.東華大學(xué) 紡織科技創(chuàng)新中心(中國)

紡織品噴墨印花是通過噴墨打印頭的往復(fù)交互運(yùn)動發(fā)射不同顏色的微小墨滴到紡織基材表面，并在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制下印制圖案的。相比于傳統(tǒng)印染，噴墨印花具有顯著的優(yōu)勢，但同時也存在一定的局限性。由于印花前后道工序設(shè)備的顯色機(jī)理不同，印花過程中顏色信息的轉(zhuǎn)換易導(dǎo)致色差出現(xiàn)。墨滴在紡織材料內(nèi)部滲透，以及在織物上顯現(xiàn)的過程涉及紡織材料的油墨擴(kuò)散規(guī)律和呈色效果。目前有關(guān)紡織材料特性對印花效果影響的研究多側(cè)重于對印花精細(xì)度的探討，對顏色呈現(xiàn)效果的研究較少。因針織物形態(tài)復(fù)雜多變，目前有關(guān)滌綸織物噴墨印花的呈色研究大都集中于對機(jī)織物的研究。高普等[1-2]先后探討了機(jī)織物組織結(jié)構(gòu)對噴墨印花精細(xì)度的影響，并通過構(gòu)建客觀和主觀評價方法，研究了影響噴墨印花精細(xì)度的因素。李敏等[3]針對滌綸針織物數(shù)碼印花清晰度低的問題，采用陽離子改性劑、海藻酸鈉和聚乙烯醇分別對織物進(jìn)行預(yù)處理，探討了織物組織結(jié)構(gòu)、預(yù)處理劑種類和用量，以及固色條件對印花清晰度的影響。

噴墨印花織物的表觀顏色并未預(yù)先混配好，而是在噴印后，由織物及各色墨滴對入射光線進(jìn)行選擇性的吸收和反射，并通過混色在織物上呈現(xiàn)出噴墨印花圖案。因此，噴墨印花圖案效果主要取決于墨滴在織物上的精確分布，織物組織結(jié)構(gòu)中紗線或纖維的橫截面形狀，以及對織物進(jìn)行的表面改性處理。這些因素均會導(dǎo)致噴墨印花過程中墨滴的變形和墨滴在織物上的鋪展、擴(kuò)散和滲透，影響光與織物之間的相互作用，從而影響噴墨印花效果[4-5]。MHETRE等[6]研究發(fā)現(xiàn)，較低的液體吸收能力不利于墨滴在織物內(nèi)部的分散，噴墨印花質(zhì)量相應(yīng)較好。PARK等[7]的研究表明，浮長線較長的緞紋組織織物上墨滴的分散面積大于平紋組織織物。房寬峻[8]研究發(fā)現(xiàn)，密度低的純棉機(jī)織物印花后顏色比密度高的純棉機(jī)織物深很多。楊靜蘭[9]分別采用羧甲基纖維素(CMC)、海藻酸鈉、聚乙二醇(PEG)和聚氧化乙烯(PEO)這4種高分子物質(zhì)對滌綸纖維進(jìn)行表面改性，并研究了由改性纖維制得的織物的噴墨印花性能。結(jié)果表明，這4種高分子物質(zhì)可不同程度地改善滌綸織物的滲化性能,提高印花織物圖案的清晰度。李震[10]研究發(fā)現(xiàn)，對滌綸機(jī)織物進(jìn)行噴墨印花預(yù)處理后,因表面張力調(diào)節(jié)劑的作用，可實(shí)現(xiàn)滌綸織物的直接噴印,且預(yù)處理不影響染料在織物上的著色。王春瑩等[11]采用射頻輝光放電技術(shù)對滌綸織物進(jìn)行表面改性處理,再用淺品色納米顏料墨水進(jìn)行噴墨印花。結(jié)果表明,經(jīng)射頻輝光放電處理后,滌綸織物的潤濕性、防滲化性和透濕性顯著提高,所得印花圖案清晰、得色量提高。關(guān)芳蘭等[12]探討了預(yù)處理劑對滌綸織物噴墨印花圖案清晰度、顏色鮮艷度等的影響，結(jié)果表明,預(yù)處理可提高滌綸織物的潤濕性，并顯著提高印花圖案的清晰度和顏色鮮艷度。

關(guān)于滌綸針織物結(jié)構(gòu)特性、表面處理方式對墨滴擴(kuò)散及印花呈色效果的影響，目前仍缺乏系統(tǒng)的研究。基于此，本文通過在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和經(jīng)不同表面處理的織物上分別滴加青色、品紅色、黃色和黑色4種分散染料墨水，觀察墨滴的動態(tài)擴(kuò)散行為，分析墨滴在各織物上的擴(kuò)散面積及擴(kuò)散各向異性等相關(guān)規(guī)律，探討織物孔隙參數(shù)、芯吸性能、滲透上染性能等與墨滴擴(kuò)散之間的關(guān)系。研究旨在為進(jìn)一步探究噴墨印花的呈色機(jī)理提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)用滌綸針織物的規(guī)格參數(shù)如表1所示。

表1 滌綸針織物試樣的規(guī)格參數(shù)

本文滌綸針織物試樣的吸濕排汗整理采用親水性整理劑的吸附固著獲得。整理方法為將親水整理劑均勻地涂覆在滌綸針織物表面，使織物表面形成一層親水性薄膜，從而提高織物的親水性。這種整理方法具有成本低、操作簡易、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，是近年來應(yīng)用最廣的吸濕排汗整理方法[13]。

試驗(yàn)用青色、品紅色、黃色、黑色分散染料墨水由上海端彩數(shù)碼科技有限公司提供，海藻酸鈉由上海端彩數(shù)碼科技有限公司提供。

試驗(yàn)設(shè)備：LP系列氣動小軋車(南通三思機(jī)電科技有限公司)，DHG-9145A 型烘箱(上海齊欣科學(xué)儀器有限公司)，S-4800型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM，日本日立公司)，USB數(shù)碼顯微鏡(深圳市宗源偉業(yè)科技有限公司)，YG(B)871型毛細(xì)管效應(yīng)測定儀(無錫市三環(huán)儀器有限公司)，0.50 μL微量進(jìn)樣器(上海高鴿工貿(mào)有限公司)，A3型數(shù)碼印花機(jī)(上海端彩數(shù)碼科技有限公司)，Datacolor 850型測色配色儀(美國datacolor公司)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 織物預(yù)處理工藝

1#、2#、3#、4#、7#和8#滌綸針織物為采用海藻酸鈉進(jìn)行預(yù)處理的試樣。預(yù)處理工藝參數(shù)見表2。

表2 滌綸針織物試樣預(yù)處理工藝參數(shù)

1.2.2 墨滴鋪展試驗(yàn)

用微量注射器抽取0.50 μL的墨滴滴在滌綸針織物表面，并在顯微鏡下觀察墨滴在織物試樣上的動態(tài)擴(kuò)散行為，分析織物結(jié)構(gòu)參數(shù)與表面處理方式對墨滴擴(kuò)散性能的影響。

用微量注射器分別抽取0.02、0.05、0.10、0.20和0.50 μL的墨滴滴在織物表面，掃描獲得織物圖像，再采用Image J軟件計(jì)算墨滴在織物表面的擴(kuò)散面積(Ad)、橫向擴(kuò)散寬度(dc)和縱向擴(kuò)散寬度(dw)。每個織物試樣各測試10個位置點(diǎn)，結(jié)果取平均值。

1.3 分析測試

1.3.1 織物基礎(chǔ)物理性能測試

對滌綸針織物試樣進(jìn)行制樣和噴金處理后，采用S-4800型冷場發(fā)射SEM對織物試樣的表面形貌進(jìn)行觀察，放大倍數(shù)分別為50和2 000。

使用YG(B)871型毛細(xì)管效應(yīng)測定儀測試織物的芯吸性能，每種織物準(zhǔn)備橫向和縱向試樣各3個(寬25 mm、長250 mm)。將織物試樣垂直懸掛在溶劑中，記錄5 min內(nèi)液體沿織物徑向上升的高度。分別以水和彩墨作為測試液進(jìn)行測試，并采用式(1)計(jì)算織物的芯吸速率[14]11。

(1)

式中：H——毛細(xì)效應(yīng)高度，cm；

t——時間，s；

K——芯吸速率，cm/s0.5。

采用圖像處理法測試織物的孔隙率(p)，將織物的圖片信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，對需要的信號進(jìn)行修飾和增強(qiáng)。

1.3.2 織物顏色測試

使用Datacolor 850型測色儀，在D65光源，10°視角條件下進(jìn)行織物顏色測試。將織物折疊成4層，在織物上選擇測試點(diǎn)分別測試染色后試樣上色塊的顏色數(shù)據(jù)。其中，L*表示物體的亮度；a*表示物體的紅綠色，正值表示紅色，負(fù)值表示綠色；b*表示物體的黃藍(lán)色，正值表示黃色，負(fù)值表示藍(lán)色；C*表示飽和度；H*表示色調(diào)；K/S值表示織物顏色深淺。每種試樣選取5個不同的測試點(diǎn)測試，結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對墨滴擴(kuò)散行為的影響

2.1.1 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)織物的墨滴動態(tài)擴(kuò)散行為分析

采用1#、2#、3#和4#織物試樣進(jìn)行墨滴擴(kuò)散試驗(yàn)。墨滴在不同面密度經(jīng)海藻酸鈉預(yù)處理的滌綸針織物上的擴(kuò)散行為如圖1所示。

圖1 墨滴在不同面密度滌綸針織物上的擴(kuò)散

USB數(shù)碼顯微鏡觀察結(jié)果表明，對于面密度不同但織物組織結(jié)構(gòu)相同的滌綸針織物試樣，墨滴在織物上的擴(kuò)散規(guī)律基本一致。從圖1可以看出，在線圈縱向方向，墨水因纖維的毛細(xì)管效應(yīng)沿著纖維軸向擴(kuò)散；在線圈橫向方向，墨水除了通過線圈延展線擴(kuò)散外，還通過接觸擴(kuò)散到相鄰線圈。這與文獻(xiàn)[15-17]的研究結(jié)果一致，即墨水在經(jīng)編針織物表面沿著紗線擴(kuò)散。主要是由于紗線的毛細(xì)管效應(yīng)或芯吸效應(yīng)導(dǎo)致的。

2.1.2 織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對墨滴擴(kuò)散面積的影響

墨滴在1#、2#、3#和4#滌綸針織物試樣上的孔隙率和擴(kuò)散面積測試結(jié)果見表3。由表3可知，織物面密度為160 g/m2時，其擴(kuò)散面積最大。墨滴在織物上的擴(kuò)散不僅與織物面密度有關(guān)，可能還受織物孔隙率及紗線間的毛細(xì)效應(yīng)等多種因素的影響。

表3 織物參數(shù)及墨滴在織物上的芯吸速率和擴(kuò)散面積

滌綸針織物面密度與孔隙率和芯吸速率的關(guān)系如圖2所示。

圖2 織物面密度與孔隙率及芯吸速率的關(guān)系(芯吸測試液為彩墨)

由圖2可知，不同面密度的滌綸針織物的芯吸速率存在較大差異，但線圈橫、縱方向的芯吸速率變化規(guī)律基本一致：面密度為160 g/m2時，織物芯吸速率最高；織物的芯吸速率變化與織物孔隙率密切相關(guān)，孔隙率越小，纖維的毛細(xì)效應(yīng)越強(qiáng)，芯吸速率越高，墨滴在織物中的擴(kuò)散越容易，擴(kuò)散面積越大。

2.1.3 織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對墨滴擴(kuò)散各向異性的影響

趙影[14]48研究了墨滴在經(jīng)編滌綸針織物上的擴(kuò)散情況，發(fā)現(xiàn)墨滴在織物上的擴(kuò)散滲化情況受墨滴體積的影響。MHETRE等[19]研究發(fā)現(xiàn)，墨滴在織物中的擴(kuò)散具有各向異性，這種各向異性可通過墨滴在互相垂直的兩個方向上擴(kuò)散寬度的比值(dc/dw)表征。為研究織物結(jié)構(gòu)對墨滴擴(kuò)散各向異性的影響，對墨滴體積與擴(kuò)散寬度及dc/dw的關(guān)系作圖，結(jié)果見圖3。

圖3 不同面密度織物試樣上墨滴的擴(kuò)散各向異性分析

由圖3可知，墨滴在面密度為120 g/m2的織物上擴(kuò)散時，dc/dw大于1.0，表明此時墨滴在線圈橫向上的擴(kuò)散寬度大于縱向；而織物面密度小于120 g/m2時，dc/dw基本小于1.0，表明此時墨滴在線圈橫向上的擴(kuò)散寬度小于縱向，即墨滴在縱向擴(kuò)散更快。墨滴體積對擴(kuò)散各向異性有一定的影響，當(dāng)墨滴體積小于0.10 μL時，dc/dw接近1.0，即此時墨滴在縱橫方向上的擴(kuò)散程度相近，擴(kuò)散各向異性不明顯。

2.1.4 織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對墨滴呈色的影響

為探究織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對墨滴呈色的影響，在1#、2#、3#和4#滌綸針織物上分別滴加青色、品紅色、黃色和黑色4種顏色的分散染料墨水，測量墨滴擴(kuò)散后滌綸針織物試樣上色塊的顏色數(shù)據(jù)，并記錄在表4中。

表4 不同面密度織物試樣上染色色塊的顏色數(shù)據(jù)

由表4可知，隨著織物面密度的增大，L*值增大，K/S值則呈相反的變化趨勢。面密度為240 g/m2時，織物表面最亮，表觀顏色最淺；面密度為120 g/m2時，織物表面最暗，表觀顏色最深。由文獻(xiàn)[20]可知，黑色色塊的C*值越接近0，表示其顏色越正。通過對比表4中數(shù)據(jù)可知，面密度為240 g/m2時，織物黑色色塊的C*值最接近0，故面密度為240 g/m2時的織物黑色最正。對于其他色塊，面密度為240 g/m2時，織物的C*值均較小，表明此時色塊的鮮艷度較差。

2.2 織物表面處理對墨滴擴(kuò)散行為的影響

2.2.1 不同表面處理織物的墨滴動態(tài)擴(kuò)散行為分析

墨滴在經(jīng)不同表面處理的滌綸針織物上的擴(kuò)散行為如圖4所示。由圖4可知，對于經(jīng)吸濕排汗整理的滌綸針織物，因毛細(xì)管壓力和氫鍵作用，墨滴在其表面的擴(kuò)散更容易。無論是普通滌綸針織物還是經(jīng)吸濕排汗整理的滌綸針織物，預(yù)處理前因織物的孔隙率較大，墨滴在紗線和纖維間的阻力較小，導(dǎo)致墨水在織物的表面滲化嚴(yán)重，印花邊緣不清晰。預(yù)處理后，織物變得更蓬松，孔隙率減小(圖5)。同時，預(yù)處理后，預(yù)處理劑在織物的表面“成膜”，破環(huán)了織物中毛細(xì)管的連續(xù)性，這在一定程度上改變了織物的表面張力，從而影響墨滴在織物表面的浸潤效果。此外，由圖6可以看出，預(yù)處理后預(yù)處理劑在纖維間成膜，造成織物中的毛細(xì)管道被預(yù)處理劑阻塞，從而使擴(kuò)散速度下降，防滲化性能提高。

圖4 墨滴在不同表面處理的滌綸針織物上的擴(kuò)散

圖5 噴墨印染前后經(jīng)不同表面處理的滌綸針織物的SEM圖(放大倍數(shù)為50)

2.2.2 織物表面處理對墨滴擴(kuò)散面積的影響

墨滴在經(jīng)不同表面處理的滌綸針織物上的擴(kuò)散參數(shù)測試結(jié)果見表5。由表5可以看出，經(jīng)預(yù)處理后普通滌綸針織物的擴(kuò)散面積大幅降低，由預(yù)處理前的8.831 mm2降至預(yù)處理后的4.613 mm2，墨滴在織物表面的擴(kuò)散滲化情況大幅改善。原本擴(kuò)散更嚴(yán)重的吸濕排汗滌綸針織物在經(jīng)預(yù)處理后，擴(kuò)散面積由預(yù)處理前的12.561 mm2降至預(yù)處理后的5.297 mm2，滲化情況同樣大幅改善。不同表面處理方式對織物芯吸速率的影響如圖7所示。由圖7可知，總體而言，預(yù)處理劑的加入使得普通滌綸針織物的芯吸速率提高，但吸濕排汗滌綸的芯吸速率則有所下降。

圖7 不同表面處理方式對滌綸針織物芯吸速率的影響

表5 經(jīng)不同表面處理的滌綸針織物的墨滴擴(kuò)散參數(shù)

2.2.3 織物表面處理對墨滴擴(kuò)散各向異性的影響

圖8為滌綸針織物表面處理方式對墨滴擴(kuò)散各向異性的影響。

圖8 表面處理方式對墨滴擴(kuò)散各向異性的影響

由圖8可以看出，經(jīng)吸濕排汗整理的織物在橫縱方向的擴(kuò)散寬度均比普通滌綸織物大，且dc/dw更接近1.0，表明其在橫縱方向的擴(kuò)散各向異性不及普通滌綸針織物明顯。經(jīng)預(yù)處理后，墨滴在織物橫縱方向上的擴(kuò)散寬度均有所減小，滲化情況減弱，但擴(kuò)散各向異性并未出現(xiàn)明顯的改變。

2.2.4 織物表面處理對墨滴呈色的影響

為探究織物表面處理方式對墨滴呈色的影響，在5#、6#、7#和8#滌綸針織物上分別滴加青色、品紅色、黃色和黑色4種顏色的分散染料墨水，測量墨滴擴(kuò)散后滌綸針織物試樣上色塊的顏色數(shù)據(jù)，結(jié)果如表6所示。

表6 不同表面處理的織物試樣上染色色塊的顏色數(shù)據(jù)

由表6可以看出，經(jīng)預(yù)處理后，所有色塊的L*值均有所降低，表明預(yù)處理后織物的顏色更深，顯色更好。經(jīng)吸濕排汗整理的織物的L*值更高，表明吸濕排汗整理后織物的顏色更淺。對于黑色色塊，經(jīng)預(yù)處理后織物的C*值有所降低，即黑色的彩度值減小，對黑色的還原度增加，黑色更正。對青色、品紅色和黃色3種色塊的顏色數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，吸濕排汗滌綸針織物的C*值更大，預(yù)處理后C*值總體增大。因此可知，經(jīng)吸濕排汗處理的織物顯色更好，預(yù)處理對織物的高飽和度顯色也有較好的效果。

2.3 墨滴擴(kuò)散與呈色的相關(guān)性探討

2.3.1 織物面密度與墨滴擴(kuò)散面積和K/S值的關(guān)系

織物面密度與墨滴擴(kuò)散面積和K/S值的關(guān)系如圖9所示。由圖9可知，色塊的K/S值與墨滴在織物上的擴(kuò)散面積有關(guān)。墨滴擴(kuò)散面積越大，色塊的K/S值越小，織物得色越淺。這是因?yàn)楫?dāng)織物面密度為160 g/m2時，其孔隙率較小，在毛細(xì)管壓力和氫鍵作用下，墨水較易透過纖維、紗線的縫隙在織物表面擴(kuò)散，并滲透到纖維的無定形區(qū)。這導(dǎo)致較多的墨水固著在織物表面，無法深入織物內(nèi)部，從而使織物對光的吸收程度減弱、反射率增加，造成印花織物色塊的K/S值變小，顯色更淺。

圖9 織物面密度與墨滴擴(kuò)散面積和K/S值的關(guān)系

2.3.2 織物表面處理與墨滴擴(kuò)散面積和K/S值的關(guān)系

不同表面處理方式對墨滴在織物上的擴(kuò)散面積與K/S值的影響如圖10所示。由圖10可以看出，經(jīng)吸濕排汗整理的織物的墨滴擴(kuò)散面積大，墨水更多地集中在織物表面，從而導(dǎo)致K/S值較低。經(jīng)預(yù)處理后，由于親水性基團(tuán)的引入及表面成膜的阻礙作用，墨滴在織物表面的擴(kuò)散速度減緩，更多的墨水沿著織物厚度方向下滲，從而導(dǎo)致織物對光的吸收程度增加、反射率降低，進(jìn)而導(dǎo)致K/S值增大。

圖10 表面處理方式與墨滴擴(kuò)散面積和K/S值的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)滌綸針織物上的墨滴擴(kuò)散行為與織物結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)，受織物面密度、孔隙率及紗線間毛細(xì)效應(yīng)等多種因素的影響。在彩墨中織物的芯吸規(guī)律與織物孔隙率密切相關(guān)，孔隙率越小，纖維間的毛細(xì)效應(yīng)越強(qiáng)，芯吸速率越快，墨滴在織物中的擴(kuò)散面積越大。

(2)與普通滌綸針織物相比，吸濕排汗滌綸針織物由于毛細(xì)管壓力和氫鍵的作用，其擴(kuò)散面積更大。經(jīng)預(yù)處理，吸濕排汗滌綸針織物與普通滌綸針織物的擴(kuò)散面積均減小，滲化情況均得以改善。

(3)墨滴呈色與墨滴在織物上的擴(kuò)散行為密切相關(guān)。色塊的K/S值與墨滴在織物上的擴(kuò)散面積有關(guān)，墨滴擴(kuò)散面積越大，K/S值越小，織物得色越淺。經(jīng)吸濕排汗整理的滌綸針織物的墨滴擴(kuò)散面積大，墨水更多地集中在織物表面，從而造成色塊的K/S值降低。經(jīng)預(yù)處理后，墨滴在織物表面的擴(kuò)散速度減緩，色塊的K/S值增大。

基金項(xiàng)目: 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2017YFB0309100)